2微生物营养与生长

模块2微生物营养与生长微生物的化学组成和营养要求微生物控制方法影响微生物生长的环境条件微生物的营养类型主要内容营养物质：外界环境可为细胞提供结构组分、能量、代谢调节物质和良好生长环境的化学物质。

营养物质是微生物生存的物质基础，而营养是生物维持和延续其生命形式的一种生理过程。一、微生物细胞化学组成和营养要求1、微生物细胞的化学组成微生物、动物、植物之间存在“营养上的统一性”2、微生物的营养要素及其生理功能微生物的6大营养要素：碳源，氮源，能源，生长因子，无机盐，水。营养要素的功能：1）构成细胞结构组分和代谢产物的原料；2）提供能量；3）调节新陈代谢。碳源凡是可以作为微生物细胞结构或代谢产物中碳架来源的营养物质，是需要量最大的营养物质。功能:构成细胞成分（需要量最大的元素，50%）；形成代谢产物和储藏物；为异养型微生物提供能源。碳源是一种双功能营养物质。碳源谱：1）根据微生物利用有机碳或无机碳，可将微生物分为：异养微生物：有机碳自养微生物：无机碳2）碳源谱广（微生物>>植物>动物）；3）最适碳源：C.H.O型，糖类（异养微生物）糖>有机酸，醇>脂单糖>双糖>多糖（淀粉>纤维素,木质素,几丁质）己糖>戊糖葡萄糖，果糖>甘露糖，半乳糖特点：4）微生物对碳源利用具有选择性混合存在葡萄糖：首先利用（速效碳源）乳糖：后利用（迟效碳源）5）不同微生物，其碳源谱不同（利用碳源物质的能力有差别）洋葱假单胞菌：90种以上甲烷菌：甲醇和甲烷6）异养微生物：碳源=能源（双功能营养物）定义：凡是构成微生物细胞物质或代谢产物中氮元素来源的营养物质

。功能：构成细胞组分（需要量仅次于碳源，~12%）；构成代谢产物；某些自养菌的能源（如硝化细菌：氨和亚硝酸盐兼氮源和能源）氮源

氮源一般只提供合成细胞质和细胞中其他结构的原料，不作为能源。只有少量细菌，如硝化细菌能利用铵盐、硝酸盐作氮源和能源。某些梭菌对糖的利用不活跃，可以利用氨基酸为唯一的能源。能源为微生物生命活动提供最初能量来源的物质或辐射能。能源谱：单功能营养物：光（能源）双功能营养物：葡萄糖(C源，能源)多功能营养物：酵母膏（C源，N源，生长因子等）宏量元素：P、S、K、Mg、Na、Ca等（10-3~10-4mol/L）；微量元素：Fe、Zn、Mn、Mo、Co、Cu、Ni等（10-6~10-8mol/L）其中：Fe是介于微量元素和宏量元素之间的元素。功能①构成细胞的组成成分；②作为酶的活性中心；③维持酶的活性；④调节细胞渗透压，氢离子浓度和氧化还原电位⑤作为某些自养菌的能源。

无机盐

无机盐离子的提供方式：常量元素：K2HPO4，MgSO4（提供4种主要元素）微量元素：自来水，玻璃器皿生长因子微生物生长不可缺少的(自身不能合成或合成量不足以满足微生物生长需要的)微量有机物质称为生长因子，一般包括维生素、氨基酸及嘌吟、嘧啶等。功能：

作为辅酶或辅基参与代谢；核酸和蛋白质的成分。如何提供生长因子？功能：（1）营养物质或代谢废物运输的必备物质；（2）直接作为反应物或产物参与体内多种生化反应；（3）水还是许多有机物中氢和氧的来源，例如烷烃分解过程；（4）许多酶促反应必须在水溶液中才能进行；（5）水分子之间形成的氢键使得水成为一种很好的温度缓冲剂。（6）水是热的良导体，有利于散热，不致于因代谢产热而使细胞局部温度上升；（7）作为活细胞中含量最高的成分，水对于维持细胞自身形状以及生物大分子的天然结构起着重要的作用。水不同生物及不同细胞结构中游离水的含量比较二、微生物的营养类型大多数细菌、真菌、原生动物、所有致病微生物都是化能异养型微生物；不同营养类型之间的界限并非绝对：异养型微生物并非绝对不能利用CO2；

自养型微生物也并非不能利用有机物进行生长；有些微生物在不同生长条件下生长时,其营养类型也会发生改变；微生物营养类型的可变性无疑有利于提高其对环境条件变化的适应能力举例：紫色非硫细菌(purplenonsulphurbacteria)

没有有机物时，同化CO2，

为自养型微生物；有机物存在时，利用有机物生长，为异养型微生物；光照和厌氧条件下，利用光能，为光能营养型微生物黑暗与好氧条件下，依靠有机物氧化产生的化学能生长，为化能营养型微生物；二、微生物生长条件微生物通过新陈代谢把营养物质转变成细胞物质，增加个体重量的过程。生长：细胞生长到一定程度进行分裂，产生同亲代相似的子代细胞的过程。

繁殖：生长是一个逐步发生的量变过程;繁殖是一个产生新的生命个体的质变过程。影响微生物生长的环境因素主要有：温度pH渗透压氧表面张力辐射声能最适生长温度并非等于最适发酵温度，或生长得率最高时的温度。1、温度每种微生物都有三个基本温度：最低生长温度：最适生长温度：生长速度最高的温度生长温度三基点能生长的最低温度最高生长温度：能生长的最高温度温度通过影响细胞膜的流动性和大分子物质的活性来影响微生物的生命活动。影响的双重性。(1)嗜冷微生物最低生长温度0℃以下，最适生长温度≦15℃，最高生长温度20℃左右；地球两极，海洋深处能在0℃生长，但最适生长温度20℃~40℃。（冷水，土壤，引起冰箱食物腐败的主要微生物类群）-----耐冷微生物,又称兼性嗜冷微生物根据微生物的最适生长温度，可将微生物分为三类：（2）嗜温微生物，又称中温菌最低生长温度10℃左右最适生长温度25~37℃最高生长温度45℃左右（大多数微生物，人类病原菌）。嗜温微生物又可分为寄生和腐生两类：寄生嗜温微生物的最适生长温度相对较高，大肠杆菌是典型的寄生嗜温微生物；腐生嗜温微生物的相对较低，发酵工业中常用的黑曲霉、啤酒酵母、枯草杆菌均为腐生嗜温微生物。(3)嗜热微生物最低生长温度45℃最适生长温度55℃~65℃最高生长温度80℃（大部分为细菌。温泉，堆肥）

发酵工业中应用的德氏乳酸杆菌的最适生长温度为45～50℃，嗜热糖化芽孢杆菌为65℃.----嗜高温微生物最低生长温度65℃，最适生长温度80~90℃，最高生长温度100℃以上（古生菌，热泉、火山喷气口、海底火山喷气口）低温用于食品保藏

食品的灭菌适宜的培养温度应用：2、pHpH通过影响细胞质膜的透性、膜结构的稳定性、物质的溶解性或电离性来影响营养物质的吸收，从而影响微生物的生长速率。每一种微生物都存在生长pH的三基点：最低生长pH；最适生长pH；最高生长pH；一般霉菌能适应pH范围最大，酵母菌适应的范围较小，细菌最小。霉菌和酵母菌生长最适pH在5～6之间，而细菌的生长最适pH在7左右。根据微生物生长的pH范围，将其分以下几类：嗜碱菌专性生活在pH10～11的碱性条件下而不能生活在中性条件下的微生物。(碱性盐湖和碳酸盐含量高的土壤中)。多数嗜碱菌为芽孢杆菌属，少数属于古生菌。耐碱菌：在碱性环境下能生长，但在中性条件下不死亡。生长最适pH5.5~8.0（大多数微生物以及病原菌等）耐酸菌：可生活在pH5以下，但在中性pH下也能生活只能生活在低pH（小于4）条件下，在中性pH下即死亡的微生物（硫细菌属，热原菌属等古生菌）嗜酸菌嗜中性菌不同微生物最适生长pH可能不同，同种微生物在不同生长阶段和不同生理、生化过程中，也有不同的最适pH要求。黑曲霉：在pH2.0～2.5时，有利于合成柠檬酸，在pH2.5～6.5范围内，就以菌体生长为主，在pH7左右时，则大量合成草酸。丙酮丁醇梭菌：在pH5.5～7.0内，以菌体生长繁殖为主，在pH4.3～5.3范围内进行丙酮、丁醇发酵。最适生长pH≠最适发酵pH水活度（aw）可定量表示环境中微生物可实际利用的自由水(游离水)的含量3、水活度和渗透压各种微生物生长繁殖的aw范围在0.60～0.998之间。除少数真菌外，多数微生物在aw

低于0.60～0.70的干燥条件下不能生长。※利用干燥来保存食品、衣物等的原理：低aw可防止微生物生长。水分及水活度等渗环境：适宜生长低渗环境：吸水膨胀高渗环境：质壁分离渗透压必须在高盐浓度下才能生长的微生物称为嗜盐微生物（嗜盐菌）。根据微生物对盐浓度耐受程度，可分为以下几类：低度嗜盐菌：耐受3％(0.2～0.5mol/L)左右NaCl的微生物；中度嗜盐菌：耐受3%~12%(0.5～2.5mol/L)NaCl的微生物；极端嗜盐菌：能够在12％～30％(2.5～5.2mol/L)NaCl中生长的嗜盐菌。耐盐微生物：能在高盐和低盐环境下均能正常生活的微生物。能够在高糖环境中生长的微生物叫作嗜高渗微生物，它们的生长繁殖是引起蜜饯、果脯类高糖食品腐败变质的主要原因。极端嗜盐菌的应用环境生物治理：高盐废水处理、盐碱地利用、耐盐酶等；生物电子领域：信息存储、生物芯片、生物计算机；医药工业：人造骨骼支架、药物微球体4、氧气根据微生物与氧的关系，可将微生物分为好氧和厌氧两大类。好氧菌专性好氧菌:必须在有氧条件下（20%以上）生长。（绝大多数真菌，多数放线菌，部分细菌）兼性厌氧菌:不需氧可生长，而在有氧条件下生长更好（酵母菌，许多细菌）微好氧菌:只能在较低的氧分压下（2~10%）生长应用：保藏食品，适宜培养条件厌氧菌耐氧菌:有氧（2%以下）和无氧条件下生长状况相同(乳酸杆菌，肠膜明串珠菌，粪肠球菌）专性厌氧菌:只能在无氧条件下生长，有氧时即被杀死（拟杆菌，梭菌属，双歧杆菌属，甲烷菌）5、辐射与微生物生命活动有关的主要有可见光及紫外线,X射线和γ射线该两种射线均能使被作用物质发生电离，故又称电离辐射。应用：育种杀菌6、液体静压力某些能生活在大洋底部的微生物不能在常压下生长，这种菌叫做嗜压菌。人工培养只能在高压的特殊容器里进行。在食品发酵工业中，随着发酵设备的大型化，处于发酵设备底部的微生物的生长代谢，也会受到液体静压力的影响，曾有工厂发现200m3发酵罐（高18m）底部的酵母在酒精发酵中形态发生了变化。6、声能超声波（频率在20,000赫兹以上）具有强烈的生物学作用。超声波的作用是使细胞破裂，所以几乎所有的微生物都能受其破坏，其效果与频率、处理时间、微生物种类、细胞大小、性状及数量等均有关系。高频率比低频率杀菌效果好；球菌较杆菌抗性强；细菌芽孢具更强的抗性，大多数情况下不受超声波的影响；病毒也有较强的抗性。应用：超声灭菌、超声细胞破碎仪三、微生物生长的控制措施消毒：利用某些理化方法杀死物体表面或内部所有对人体或动植物有害的病原菌，对被消毒对象基本无害的措施。包括化学消毒剂和巴氏消毒法等。灭菌：采用强烈理化因素，使物体内外包括芽孢在内的所有微生物永远丧失其生长繁殖能力的措施。防腐：在某些理化因素作用下抑制霉腐微生物的生长繁殖，以防止食品和其他物品等发生霉腐的措施。防腐方法：低温、干燥、缺氧、高渗、防腐剂等。1、利用物理因素对微生物生长的控制常用的物理因素：温度法、过滤法和辐射法（1）加热灭菌温度>微生物的最高生长温度，致死效应。原因：高温可引起蛋白质、核酸和脂肪等重要生物大分子降解或改变其空间结构等。①干热灭菌（dryheatsterilization）烘箱内热空气灭菌干热灭菌140℃，3h；160℃，2h；适用于金属和玻璃器皿；石蜡油和粉料物质。接种针、接种环和试管口火焰灼烧加热灭菌的方法②湿热灭菌利用热蒸汽灭菌的方法。在相同温度下，比干热灭菌更有效。①湿热蒸汽穿透力强；②能快速破坏维持核酸和蛋白质空间结构中化学键的稳定性；③蒸汽凝结放出大量的汽化潜热能迅速杀灭物体上的微生物。原因

多数细菌和真菌的营养细胞：60℃处理5-10分钟；酵母菌和真菌的孢子：80℃以上处理；细菌的芽孢：121℃处理